1908

производится сравнением размера зерен, видимых под микроскопом при увеличении в 100 раз, с эталонной шкалой по ГОСТ 5639-65 (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Шкала для оценки величины зерна

Зерна первого ряда являются крупными, зерна третьего ряда – мелкими. Зависимость между номером и истинными размерами зерна указана в табл. 2.2.

Настройте микроскоп и, рассмотрев микроструктуру стали при увеличении 90…100 раз, установите номер зерна по стандартной шкале ГОСТ 5639-65 и параметры структуры по табл. 2.2. Сделайте заключение о качестве стали по размеру зерна.

Таблица 2.2 Характеристика (параметры) структуры с разной величиной баллов

21

Окончание табл. 2.2

Содержание отчета

1.Цель исследования.

2.Основные положения: сущность и задачи микроанализа, приготовление микрошлифа, схема хода лучей в металлографическом микроскопе, оптические данные объективов и окуляров. Оценка загрязненности металла неметаллическими включениями. Определение размера зерна.

3.Методика исследования.

4.Обработка результатов.

5.Зарисовка микроструктуры стали нетравленого шлифа с указанием балла неметаллических включений. Заключение о качестве стали.

6.Зарисовка микроструктуры стали по шлифу после травления с указанием номера зерна по стандартной шкале и параметров структуры. Заключение о качестве стали.

7.Выводы из полученных результатов

Контрольные вопросы

1.Как приготовить микрошлиф для исследований?

2.Как определяется увеличение на оптическом металлографическом микроскопе?

3.Какие неметаллические включения типичны для стали?

22

Лабораторная работа №3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

При проектировании, изготовлении и эксплуатации металлических конструкций и различных металлических изделий требуются знания механических свойств металлов и сплавов. Характеристики механических свойств даются заводом-поставщиком. По этим характеристикам потребитель определяет пригодность металла для конкретных условий работы.

Механические свойства металлов характеризуют поведение металла при воздействии на него внешних сил (нагрузок) и зависят от многих факторов: химического состава, структуры, наличия посторонних включений и дефектов (трещины, поры и т.д.), условий нагружения. Механические свойства металлов оценивают при помощи основных характеристик: временного сопротивления (предел прочности), предела текучести, истинного сопротивления разрыву, относительного удлинения или сужения, ударной вязкости, предела выносливости, твердости. Измерение твердости очень распространенный вид механического испытания металлов и широко используется как в промышленности, так и в научных исследованиях. Твердость металлов измеряется значительно чаще, чем все остальные механические свойства ввиду следующих преимуществ:

–измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности, ударной вязкости;

–измерение твердости обычно не влечет за собой разрушение проверяемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;

–твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях металла (десятые доли миллиметра) и даже в микрообъемах (зерно, структурные составляющие, фазы).

Для обеспечения сопоставимости результатов методы измерения твердости регламентируются ГОСТами.

Методические указания позволяют ознакомиться с основными стандартными методами измерения твердости металлов.

Цели и задачи работы: изучить устройство приборов и методику измерения твердости металлов способами Бринелля, Роквелла, Виккерса; определить твердость на приборе Бринелля образцов из углеродистых сталей после отжига; установить зависимость твердости и предела прочности стали от процентного содержания углерода.

23

3.1. Твердость металлов. Общие сведения

Твердость измеряют при помощи воздействия на поверхность металла наконечника, имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы. Наконечник (индентор) изготавливается из малодеформирующегося материала – твердая закаленная сталь, алмаз или твердый сплав. По характеру воздействия наконечника на металл различают несколько методов измерения твердости: вдавливанием наконечника (метод вдавливания), царапанием поверхности (метод царапания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная по методу царапания, характеризует сопротивление разрушению; твердость, определенная по отскоку, – упругие свойства; твердость, определенная вдавливанием, – сопротивление пластической деформации.

Наибольшее применение для металлов и сплавов получило измерение твердости вдавливанием, поэтому твердости в этом случае дается следующее определение: твердость – это свойство металла оказывать сопротивление пластической деформации при контактном приложении нагрузки. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. Поэтому при измерении твердости вдавливанием деформацию испытывают не только пластичные, но и непластичные металлы (чугун), которые при обычных механических испытаниях (растяжении, сжатии, кручении, изгибе) разрушаются хрупко, почти без макроскопически заметной пластической деформации. Следовательно, твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его механических свойств методом измерения.

3.2. Методы измерения твердости металлов

Существуют следующие основные методы измерения твердости вдавливанием:

–вдавливание стального шарика с определением твердости по величине поверхности оставляемого отпечатка;

–вдавливание алмазного конуса (или стального шарика) с определением твердости по глубине получаемого отпечатка;

–вдавливание алмазной пирамиды с определением твердости по величине поверхности получаемого отпечатка.

24

Таким образом, по формуле (3.3) можно определить числа твердости по Бринеллю НВ. Однако этих вычислений каждый раз не делают, а определяют твердость по таблице (табл. 3.1), составленной на основании фор-

мулы (3.3).

Таблица 3.1

Определение чисел твердости по Бринеллю

25

Окончание табл. 3.1

ПриопределениитвердостипометодуБринеллядиаметршарикаподбирают в зависимости от толщины испытуемого образца металла, а принимаемую нагрузку– взависимостиоттвердостииспытуемогоматериала(табл. 3.2).

Таблица 3.2 Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимости от твердости

и толщины испытуемого образца

26

Окончание табл. 3.2

Метод Бринелля применим только при НВ4500 и толщине испытуемого образца не менее 0,5…1,00 мм.

Устройство и принцип работы пресса Бринелля

Пресс Бринелля представляет собой литую чугунную станину, на которой смонтированы все его механизмы (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема автоматического рычажного пресса для определения твердости: 1 – станина; 2 – вращающийся эксцентрик; 3 – винт; 4 – столик; 5 – испытуемый образец; 6 – наконечник с шариком; 7 – шпиндель; 8 – пружина; 9 – шатун; 10 – рычаг; 11 – подвеска; 12 – груз; 13 – электродвигатель; 14 – указатель; 15 – рукоятка

27

В верхней части станины 1 имеется шпиндель 7, в который вставляется наконечник с шариком 6. Может быть установлен один из трех наконечников – с шариком диаметром 10, 5 или 2,5 мм. Столик 4 служит для установки на нем испытываемого образца 5. Вращением по часовой стрелке рукоятки 15 приводят в движение винт 3, который, перемещаясь вверх, поднимает столик 4, и образец 5 прижимается к шарику 6. При вращении рукоятки 15 до тех пор, пока указатель 14 не станет против риски, пружина 8 сжимается до отказа и создается предварительная нагрузка 1000 Н (100 кгс). Электродвигатель 13, который включается нажатием кнопки, расположенной сбоку пресса, приводит во вращение эксцентрик 2. При вращении эксцентрика 2 шатун 9, перемещаясь вниз, отпускает рычаг 10 и соединенную с ним подвеску 11 с грузами 12, создавая этим нагрузку на шарик, который вдавливается в образец. При дальнейшем вращении эксцентрика 2 шатун 9перемещается вверх, поднимает рычаг 10 и подвеску 11 с грузами 12, снимая этим нагрузку с шарика. Когда рычаг и подвеска с грузами достигнут исходного положения, автоматически дается сигнал звонком и выключается электродвигатель. Вращением рукоятки 15 против часовой стрелки опускают столик 4. В зависимости от грузов, установленных на подвеске 11, создается различная нагрузка. На приборе Бринелля можно измерять твердость до 450 кгс/мм2. Если твердость больше приведенной величины, то шарик начинает деформироваться и показания прибора становятся неправильными.

Порядок определения твердости

Определение твердости на приборе производят в следующем порядке:

1.Взависимостиотматериалаитолщиныобразца(изделия) потабл. 3.2 определяют диаметр необходимого для испытания шарика и нагрузку.

2.Поверхность испытуемого образца зачищают напильником.

3.Зачищенный образец устанавливают на столике прибора. Вращением маховика по часовой стрелке образец поднимают к шарику до упора. В таком положении надетая на шток пружина отжимается и создает предварительную нагрузку, равную 1000 Н.

4.Нажатием на кнопку включают двигатель. При включении электродвигателя нагрузка прикладывается плавно. После приложения нагрузки и заданной выдержки переключатель автоматически изменяет направление вращения электродвигателя. После снятия нагрузки электродвигатель автоматически выключается. Длительностьвыдержкиустанавливаетсяповоротомлимба.

5.Специальной лупой измеряют диаметр отпечатка. Для этого лупа плотно устанавливается над образцом так, чтобы сам отпечаток находился

вцентре трубы микроскопа. Окрашенный вырез нижней части микроскопа должен быть при измерении обращен к свету.

28

6.Передвигая микроскоп по образцу, нужно совместить край отпечатка

сначалом шкалы и прочитать деление шкалы, с которым совпадает диаметрально противоположный край отпечатка (рис. 3.3). За расчетный диаметр отпечатка принимают среднее арифметическое результатов измерения в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для получения более достоверного числа твердости испытание повторяют трижды и за результат принимают среднее арифметическое из трех испытаний.

Рис. 3.3. Измерение диаметра отпечатка по шкале лупы

7. Измерив отпечаток шарика, числа твердости НВ вычисляют по формуле (3.2) или находят по табл. 3.1. При определении твердости шариком диаметром D=10 мм под нагрузкой Р=30000 Н с выдержкой 10 с, перед числом твердостипоБринеллюдописываюттолькосимволНВ, например, НВ4000.

При других условиях определения к числу твердости по Бринеллю дописывают индекс, обозначающий эти условия, например, НВ 5/250030-2000 означает число твердости по Бринеллю 2000, полученное при испытании шарикомD=5 ммподнагрузкойР=2500 Н, приложеннойвтечение30 с.

Между числами твердости по Бринеллю и пределом прочности металлов существует зависимость:

где К – коэффициент, определенный опытным путем (табл. 3.3). Таблица 3.3

Значение коэффициентов К для различных материалов

29

Длясерогочугунапределпрочностиопределяетсяследующимобразом:

3.2.2. Метод Роквелла

Метод измерения твердости по Роквеллу регламентируется ГОСТ 9013. При определении твердости по методу Бринелля на поверхности испытуемого изделия остаются относительно глубокие отпечатки большого

диаметра, что во многих случаях недопустимо.

При испытании же твердости по методу Роквелла на испытуемом изделии остается иголочный след глубиной меньше 0,2 мм и примерно такого же диаметра.

Кроме того, методом Роквелла можно испытывать металл и металлокерамические материалы твердостью до НВ10000.

Метод Роквелла имеет и другие преимущества: показание твердости можно получить быстро и непосредственно по шкале индикатора, установленного на приборе, причем показание свободно от субъективных ошибок, неизбежных при индивидуальном измерении отпечатка по методу Бринелля, что особенно важно в условиях массового производства.

Однако тонким алмазом нельзя определить твердость структурно неоднородных материалов, например, серого чугуна с включениями мягкого графита. Поэтому прибор Роквелла с алмазом снабжен еще стальным закаленным шариком диаметром 1,58 мм, предназначенным для определения твердости подобных или относительно мягких металлов, в которых алмаз слишком глубоко проникает в образец, и результаты измерения получаются неточными.

Измерение твердости металлов по Роквеллу заключается во вдавливании в испытуемое изделие или образец алмазного конуса или стального шарика под определенной нагрузкой (Р) и в небольшой выдержке под нагрузкой (рис. 3.5).

Применяемые при испытании нагрузки различны и определяются твердостью металлов:

–мягкие металлы твердостью НВ600…НВ2300 испытываются при нагрузке 1000 Н (измерение производится стальным шариком);

–металлы твердостью НВ2300…НВ7000 испытываются при нагрузке 1500 Н (измерение производится алмазным конусом);

–металлы твердостью свыше НВ7000 испытываются при нагрузке 600Н (измерение производится алмазным конусом).

Указанные нагрузки прилагаются к образцу последовательно в два

приема. Сначала накладывают предварительную нагрузку Р0=100 Н. При этом алмазный конус проникает в металл на глубину ho. Предварительная

30